Команда исследователей из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США продемонстрировала возможность использования облачных квантовых компьютеров для моделирования и предсказания свойств квантовых систем, в т.ч. молекул и атомов. Статья, излагающая результаты этой работы, опубликована на сайте препринта arXiv.Org.
По мере развития технологий квантовых компьютеров, которые по своим потенциальным вычислительным мощностям значительно превосходят обычные ЭВМ, встал вопрос о том, для решения каких задач такие вычислительные мощности можно использовать. Один из вариантов, предложенных физиками – моделирование поведения атомов и элементарных частиц, в т.ч. в нестандартных условиях. При этом была выдвинута идея облачных квантовых вычислений - чтобы любой пользователь системы мог получить к ней доступ из любого места.
Эта идея была реализована на практике двумя компаниями, занимающихся инвестициями в перспективные проекты квантовых компьютеров. воплощена в жизнь двумя компаниями, серьезно инвестирующими в будущее, основанное на квантовых компьютерах. С одной стороны, это известный концерн IBM, назвавший свою технологию «Q Experience», с другой стороны – компания Rigetti со своей технологией 19Q (буква Q в названиях этих технологий происходит от слова quantum - квант). Эти технологии основаны на квантовых процессорах, содержащих 16 и 19 кубитов соответственно. Также обе компании также разработали программное обеспечение, которое делает системы доступными в интернете.
Чтобы проверить возможности такой платформы, команда из Окриджской лаборатории поставила перед собой задачу с помощью квантового компьютера вычислить ядерную энергию связи в ядре тяжелого изотопа водорода – дейтерия (т.е. энергию, необходимую для разделения ядра дейтерия на протон и нейтрон). Величина этой энергии известна из экспериментов, и учёные решили выяснить, будут ли результаты компьютерного моделирования соответствовать действительности.
Ученые протестировали обе из упомянутых выше программ. Полученный результат с точностью в пределах 2% совпал с экспериментальными данными, т.е. использование квантовых компьютеров. Команда использовала обе облачные квантовые вычислительные системы, которые требовали настройки программного обеспечения, чтобы справиться с различным количеством кубитов, которые машины могли использовать. Команда сообщает, что облако ответило с привязкой энергии, которая была в пределах 2 процентов от фактической величины, т.е. адекватно описывают действительность.
На графиках, иллюстрирующих данную публикацию, изображены значения энергии связи в ядре дейтерия (верхний график) и значения гамильтониана (параметр теории поля, описывающий состояние системы) на двух нижних графиках. Сплошными линиями показаны теоретические значения этих величин при различных состояниях ядра, а геометрическими фигурами – значения, полученные в результате вычислений на квантовых компьютерах. Как можно видеть, значения, вычисленные с помощью новых технологий, совпадают с ранее известными.
Как утверждают авторы исследования, по мере развития технологий облачных квантовых вычислений и создания более мощных вычислительных машин, с использованием данного программного обеспечения можно будет моделировать свойства более сложных атомных ядер, состоящих из многих нуклонов. Это позволит, в частности, моделировать на компьютере результаты тех или иных ядерных реакций перед тем, как практически проводить их в реакторах или на ускорителях.
